Abstract A hallmark pathological feature of the neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is the depletion of RNA-binding protein TDP-43 from the nucleus of neurons in the brain and spinal cord 1 . A major function of TDP-43 is as a repressor of cryptic exon inclusion during RNA splicing 2–4 . Single nucleotide polymorphisms in UNC13A are among the strongest hits associated with FTD and ALS in human genome-wide association studies 5,6 , but how those variants increase risk for disease is unknown. Here we show that TDP-43 represses a cryptic exon-splicing event in UNC13A . Loss of TDP-43 from the nucleus in human brain, neuronal cell lines and motor neurons derived from induced pluripotent stem cells resulted in the inclusion of a cryptic exon in UNC13A mRNA and reduced UNC13A protein expression. The top variants associated with FTD or ALS risk in humans are located in the intron harbouring the cryptic exon, and we show that they increase UNC13A cryptic exon splicing in the face of TDP-43 dysfunction. Together, our data provide a direct functional link between one of the strongest genetic risk factors for FTD and ALS ( UNC13A genetic variants), and loss of TDP-43 function.

A hallmark pathological feature of neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is the depletion of RNA-binding protein TDP-43 from the nucleus of neurons in the brain and spinal cord. A major function of TDP-43 is as a repressor of cryptic exon inclusion during RNA splicing. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) in UNC13A are among the strongest genome-wide association study (GWAS) hits associated with FTD/ALS in humans, but how those variants increase risk for disease is unknown. Here we show that TDP-43 represses a cryptic exon splicing event in UNC13A . Loss of TDP-43 from the nucleus in human brain, neuronal cell lines, and iPSC-derived motor neurons resulted in the inclusion of a cryptic exon in UNC13A mRNA and reduced UNC13A protein expression. Remarkably, the top variants associated with FTD/ALS risk in humans are located in the cryptic exon harboring intron itself and we show that they increase UNC13A cryptic exon splicing in the face of TDP-43 dysfunction. Together, our data provide a direct functional link between one of the strongest genetic risk factors for FTD/ALS ( UNC13A genetic variants) and loss of TDP-43 function.

SUMMARY Biomolecular condensation underlies the biogenesis of an expanding array of membraneless assemblies, including stress granules (SGs) which form under a variety of cellular stresses. Advances have been made in understanding the molecular grammar that dictates the behavior of a few key scaffold proteins that make up these phases but how the partitioning of hundreds of other SG proteins is regulated remains largely unresolved. While investigating the rules that govern the condensation of ataxin-2, a SG protein implicated in neurodegenerative disease, we unexpectedly identified a short 14aa sequence that acts as an ataxin-2 condensation switch and is conserved across the eukaryote lineage. We identify poly(A)-binding proteins as unconventional RNA-dependent chaperones that control this regulatory switch. Our results uncover a hierarchy of cis and trans interactions that fine-tune ataxin-2 condensation and reveal a new molecular function for ancient poly(A)-binding proteins as emulsifiers of biomolecular condensate proteins. These findings may inspire novel approaches to therapeutically target aberrant phases in disease.

Alternative pre-mRNA splicing plays a major role in expanding the transcript output of human genes. This process is regulated, in part, by the interplay of trans-acting RNA binding proteins (RBPs) with myriad cis-regulatory elements scattered throughout pre-mRNAs. These molecular recognition events are critical for defining the protein coding sequences (exons) within pre-mRNAs and directing spliceosome assembly on non-coding regions (introns). One of the earliest events in this process is recognition of the 3′ splice site by U2 small nuclear RNA auxiliary factor 2 (U2AF2). Splicing regulators, such as the heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1 (HNRNPA1), influence spliceosome assembly both in vitro and in vivo, but their mechanisms of action remain poorly described on a global scale. HNRNPA1 also promotes proof reading of 3′ ss sequences though a direct interaction with the U2AF heterodimer. To determine how HNRNPA1 regulates U2AF-RNA interactions in vivo, we analyzed U2AF2 RNA binding specificity using individual-nucleotide resolution crosslinking immunoprecipitation (iCLIP) in control- and HNRNPA1 over-expression cells. We observed changes in the distribution of U2AF2 crosslinking sites relative to the 3′ splice sites of alternative cassette exons but not constitutive exons upon HNRNPA1 over-expression. A subset of these events shows a concomitant increase of U2AF2 crosslinking at distal intronic regions, suggesting a shift of U2AF2 to "decoy" binding sites. Of the many non-canonical U2AF2 binding sites, Alu-derived RNA sequences represented one of the most abundant classes of HNRNPA1-dependent decoys. Splicing reporter assays demonstrated that mutation of U2AF2 decoy sites inhibited HNRNPA1-dependent exon skipping in vivo. We propose that HNRNPA1 regulates exon definition by modulating the interaction of U2AF2 with decoy or bona fide 3′ splice sites.

Summary Antisense oligonucleotide therapy targeting ATXN2 —a gene in which mutations cause neurodegenerative diseases spinocerebellar ataxia type 2 and amyotrophic lateral sclerosis—has entered clinical trials in humans. Additional methods to lower ataxin-2 levels would be beneficial not only in uncovering potentially cheaper or less invasive therapies, but also in gaining greater mechanistic insight into how ataxin-2 is normally regulated. We performed a genome-wide fluorescence activated cell sorting (FACS)-based CRISPR screen in human cells and identified multiple subunits of the lysosomal vacuolar ATPase (v-ATPase) as regulators of ataxin-2 levels. We demonstrate that Etidronate—a U.S. Food and Drug Administration (FDA)-approved drug that inhibits the v-ATPase—lowers ataxin-2 protein levels in mouse and human neurons. Moreover, oral administration of the drug to mice in their water supply and food is sufficient to lower ataxin-2 levels in the brain. Thus, we uncover Etidronate as a safe and inexpensive compound for lowering ataxin-2 levels and demonstrate the utility of FACS-based screens for identifying targets to modulate levels of human disease proteins.

Summary Gene-based therapeutic strategies to lower ataxin-2 levels are emerging for neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2). To identify additional ways of reducing ataxin-2 levels, we performed a genome-wide screen in human cells for regulators of ataxin-2 and identified RTN4R , the gene encoding the RTN4/NoGo-Receptor, as a top hit. RTN4R knockdown, or treatment with a peptide inhibitor, was sufficient to lower ataxin-2 protein levels in mouse and human neurons in vitro and Rtn4r knockout mice have reduced ataxin-2 levels in vivo . Remarkably, we observed that ataxin-2 shares a role with the RTN4/NoGo-Receptor in limiting axonal regeneration. Reduction of either protein increases axonal regrowth following axotomy. These data define the RTN4/NoGo-Receptor as a novel therapeutic target for ALS and SCA2 and implicate the targeting of ataxin-2 as a potential treatment following nerve injury.